一种便携式心率体温监测装置

尚国庆 周岳斌 李强

摘 要：现代社会，人们的生活质量得到了极大地提高，但同时多种疾病也威胁着人们的生命。心率和体温是衡量人体健康的重要生理指标，有必要为之设计一种便携快捷的监测装置。该设计采用STC89C52单片机作为控制处理单元，利用红外传感器和DS18B20集成温度传感器，运用软件和硬件双重滤波实现了对人体心率和体温信号的准确监测。测量结果以数字方式显示，具有较好的实用价值。

关键词：心率 体温 红外传感器 单片机

中图分类号：TM932 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）04（a）-0027-02

心率和体温包含有丰富的人体健康状况信息，研究心率和体温信息无论是在中医还是西医中都具有重要的临床诊断价值和实用意义。人体心率的频率比较低，约为0.5～10 Hz，可以看成一个准直流信号或超低频交变信号[1]。该文设计了一种便携式心率体温监测装置，具有性能可靠、携带方便、功能多样的优点。

1 系统方案

便携式心率体温监测装置系统结构如图1所示，主要包括心率监测模块、体温监测模块、单片机处理器模块、按键模块、报警模块和液晶显示模块。其中心率监测模块包含红外传感器电路、信号滤波电路和信号整形电路，可实现心率信号的获得、处理以及传输功能；体温监测模块含温度传感器电路和信号转换电路，可实现体温信号的测量、转换和传输功能；按键模块用来设定心率和体温的测量范围和限值，报警模块可根据设定的限值做出比较，并实现相应的报警功能；液晶显示模块含液晶显示电路和液晶驱动电路，可以将测量的心率以及体温数值显示在液晶屏幕上。单片机处理器模块以STC89S52单片机为核心，由红外传感器感应心率信号，利用单片机内部定时器来计算时间，单片机通过对心率信号累加得到脉搏跳动次数。系统运行中可以通过观察指示灯闪烁，若均匀闪烁说明测量值准确。

2 主要功能电路设计

2.1 心率检测

如图2所示，红外传感器ST188内有高发射功率的红外发光二极管和高灵敏度的光敏三极管。当人把手指放在发光二极管和光敏三极管之间的时候，光敏三极管接收到的信号会随人心率强度的变化而变化[2]。当人体组织半透明度的数值较大时，红外发光二极管发射出的透过人体组织的光强很弱，光敏三极管无法导通，输出高电平；当人体组织半透明度的数值较小时，红外发光二极管发射出的透过人体组织的光强度较强，光敏三极管导通，输出低电平，这样就形成了频率与心率次数成正比的低频信号，从而将心率跳动转换为电信号。但转换后的电信号一般为几十毫伏，伴随有噪声干扰，需要进行滤波和放大处理。经过放大滤波后的心率信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，必须采用整形电路。整形电路采用滞回电压比较器，其目的是为了提高抗干扰能力[3]。红外传感器输出的低频信号首先经RC滤波电路消除高频干扰，再送到集成运算放大器LM358的输入端。LM358内有两个高增益、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，也适用于双电源工作方式，其应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。此外，LM358还接上了一个LED用作指示心率跳动的状态。单片机通过外部中断0来监测从心率检测电路输出的信号[4]。

2.2 体温检测

图3为体温检测电路，温度传感器选用数字式集成温度传DS18B20，该传感器采用先进的单总线（1-WRIE）技术，其测温度的原理是将温度值在器件内部转换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，并且与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力较强[5]。DS18B20仅需一个端口引脚进行通讯，每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中，无需外部器件，可通过数据线供电。由于数字式集成温度传DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，系统的温度误差很小。

2.3 液晶显示

图4为液晶显示电路，液晶驱动模块采用LCD1602，其显示的内容为16X2，可以显示两行，每行16个字符液晶模块，第一行显示心率，第二行显示体温。利用STC89C52的P0口作为数据线，用P2.7、P2.6、P2.5分别作为LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号。LCD1602显示模块的初始化步骤：首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为两行，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁，最后设置为正向增量方式且不移位。单片机通过P0口向LCD的显示缓冲区中送字符，采用4个字符数组，显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示[6]。

3 结语

便携式心率体温监测装置的硬件设计采用STC89C52单片机为核心，心率信号检测采用红外传感器ST188，体温信号检测采用数字式集成温度传感DS18B20。装置通电后，将手指固定在红外传感器之间即可检测到人体的心率和体温信号，并在液晶上显示出来，同时还可以设定测量范围和限值，对于人体心率和体温的监测十分便利和有效，具有较好的市场前景和推广价值。

参考文献

[1]聂茹.基于单片机的脉搏测量计设计与实现[J].微处理机，2015，36（2）：84-87.

[2]卢超，潘宏利，等.无线脉搏测量仪的设计[J].电子设计工程，2012，20（15）：89-93.

[3]刘一，任占兵.基于安卓手机的血氧与脉搏测量系统的设计[J].电子技术应用，2014，40（5）：129-131.

[4]孙迎春，徐建东，刘文科.基于ZigBee技术的无线传输脉搏监测系统设计[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2012，30（6）：907-909.

[5]张勇，杨娇，吴光路，等.基于CC2530无线单片机的脉搏测量仪的设计[J].吉林师范大学学报：自然科学版， 2013，34（4）：132-133.

[6]李宏恩，周晋阳.基于AT89C51单片机的脉搏测量仪设计[J].山西电子技术，2015（2）：3-5.